New upstream version 18.02
[deb_dpdk.git] / doc / guides / prog_guide / env_abstraction_layer.rst
1 ..  SPDX-License-Identifier: BSD-3-Clause
2     Copyright(c) 2010-2014 Intel Corporation.
3
4 .. _Environment_Abstraction_Layer:
5
6 Environment Abstraction Layer
7 =============================
8
9 The Environment Abstraction Layer (EAL) is responsible for gaining access to low-level resources such as hardware and memory space.
10 It provides a generic interface that hides the environment specifics from the applications and libraries.
11 It is the responsibility of the initialization routine to decide how to allocate these resources
12 (that is, memory space, PCI devices, timers, consoles, and so on).
13
14 Typical services expected from the EAL are:
15
16 *   DPDK Loading and Launching:
17     The DPDK and its application are linked as a single application and must be loaded by some means.
18
19 *   Core Affinity/Assignment Procedures:
20     The EAL provides mechanisms for assigning execution units to specific cores as well as creating execution instances.
21
22 *   System Memory Reservation:
23     The EAL facilitates the reservation of different memory zones, for example, physical memory areas for device interactions.
24
25 *   PCI Address Abstraction: The EAL provides an interface to access PCI address space.
26
27 *   Trace and Debug Functions: Logs, dump_stack, panic and so on.
28
29 *   Utility Functions: Spinlocks and atomic counters that are not provided in libc.
30
31 *   CPU Feature Identification: Determine at runtime if a particular feature, for example, IntelĀ® AVX is supported.
32     Determine if the current CPU supports the feature set that the binary was compiled for.
33
34 *   Interrupt Handling: Interfaces to register/unregister callbacks to specific interrupt sources.
35
36 *   Alarm Functions: Interfaces to set/remove callbacks to be run at a specific time.
37
38 EAL in a Linux-userland Execution Environment
39 ---------------------------------------------
40
41 In a Linux user space environment, the DPDK application runs as a user-space application using the pthread library.
42 PCI information about devices and address space is discovered through the /sys kernel interface and through kernel modules such as uio_pci_generic, or igb_uio.
43 Refer to the UIO: User-space drivers documentation in the Linux kernel. This memory is mmap'd in the application.
44
45 The EAL performs physical memory allocation using mmap() in hugetlbfs (using huge page sizes to increase performance).
46 This memory is exposed to DPDK service layers such as the :ref:`Mempool Library <Mempool_Library>`.
47
48 At this point, the DPDK services layer will be initialized, then through pthread setaffinity calls,
49 each execution unit will be assigned to a specific logical core to run as a user-level thread.
50
51 The time reference is provided by the CPU Time-Stamp Counter (TSC) or by the HPET kernel API through a mmap() call.
52
53 Initialization and Core Launching
54 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
55
56 Part of the initialization is done by the start function of glibc.
57 A check is also performed at initialization time to ensure that the micro architecture type chosen in the config file is supported by the CPU.
58 Then, the main() function is called. The core initialization and launch is done in rte_eal_init() (see the API documentation).
59 It consist of calls to the pthread library (more specifically, pthread_self(), pthread_create(), and pthread_setaffinity_np()).
60
61 .. _figure_linuxapp_launch:
62
63 .. figure:: img/linuxapp_launch.*
64
65    EAL Initialization in a Linux Application Environment
66
67
68 .. note::
69
70     Initialization of objects, such as memory zones, rings, memory pools, lpm tables and hash tables,
71     should be done as part of the overall application initialization on the master lcore.
72     The creation and initialization functions for these objects are not multi-thread safe.
73     However, once initialized, the objects themselves can safely be used in multiple threads simultaneously.
74
75 Shutdown and Cleanup
76 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
77
78 During the initialization of EAL resources such as hugepage backed memory can be
79 allocated by core components.  The memory allocated during ``rte_eal_init()``
80 can be released by calling the ``rte_eal_cleanup()`` function. Refer to the
81 API documentation for details.
82
83 Multi-process Support
84 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
85
86 The Linuxapp EAL allows a multi-process as well as a multi-threaded (pthread) deployment model.
87 See chapter
88 :ref:`Multi-process Support <Multi-process_Support>` for more details.
89
90 Memory Mapping Discovery and Memory Reservation
91 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
92
93 The allocation of large contiguous physical memory is done using the hugetlbfs kernel filesystem.
94 The EAL provides an API to reserve named memory zones in this contiguous memory.
95 The physical address of the reserved memory for that memory zone is also returned to the user by the memory zone reservation API.
96
97 .. note::
98
99     Memory reservations done using the APIs provided by rte_malloc are also backed by pages from the hugetlbfs filesystem.
100
101 PCI Access
102 ~~~~~~~~~~
103
104 The EAL uses the /sys/bus/pci utilities provided by the kernel to scan the content on the PCI bus.
105 To access PCI memory, a kernel module called uio_pci_generic provides a /dev/uioX device file
106 and resource files in /sys
107 that can be mmap'd to obtain access to PCI address space from the application.
108 The DPDK-specific igb_uio module can also be used for this. Both drivers use the uio kernel feature (userland driver).
109
110 Per-lcore and Shared Variables
111 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
112
113 .. note::
114
115     lcore refers to a logical execution unit of the processor, sometimes called a hardware *thread*.
116
117 Shared variables are the default behavior.
118 Per-lcore variables are implemented using *Thread Local Storage* (TLS) to provide per-thread local storage.
119
120 Logs
121 ~~~~
122
123 A logging API is provided by EAL.
124 By default, in a Linux application, logs are sent to syslog and also to the console.
125 However, the log function can be overridden by the user to use a different logging mechanism.
126
127 Trace and Debug Functions
128 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
129
130 There are some debug functions to dump the stack in glibc.
131 The rte_panic() function can voluntarily provoke a SIG_ABORT,
132 which can trigger the generation of a core file, readable by gdb.
133
134 CPU Feature Identification
135 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
136
137 The EAL can query the CPU at runtime (using the rte_cpu_get_features() function) to determine which CPU features are available.
138
139 User Space Interrupt Event
140 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
141
142 + User Space Interrupt and Alarm Handling in Host Thread
143
144 The EAL creates a host thread to poll the UIO device file descriptors to detect the interrupts.
145 Callbacks can be registered or unregistered by the EAL functions for a specific interrupt event
146 and are called in the host thread asynchronously.
147 The EAL also allows timed callbacks to be used in the same way as for NIC interrupts.
148
149 .. note::
150
151     In DPDK PMD, the only interrupts handled by the dedicated host thread are those for link status change
152     (link up and link down notification) and for sudden device removal.
153
154
155 + RX Interrupt Event
156
157 The receive and transmit routines provided by each PMD don't limit themselves to execute in polling thread mode.
158 To ease the idle polling with tiny throughput, it's useful to pause the polling and wait until the wake-up event happens.
159 The RX interrupt is the first choice to be such kind of wake-up event, but probably won't be the only one.
160
161 EAL provides the event APIs for this event-driven thread mode.
162 Taking linuxapp as an example, the implementation relies on epoll. Each thread can monitor an epoll instance
163 in which all the wake-up events' file descriptors are added. The event file descriptors are created and mapped to
164 the interrupt vectors according to the UIO/VFIO spec.
165 From bsdapp's perspective, kqueue is the alternative way, but not implemented yet.
166
167 EAL initializes the mapping between event file descriptors and interrupt vectors, while each device initializes the mapping
168 between interrupt vectors and queues. In this way, EAL actually is unaware of the interrupt cause on the specific vector.
169 The eth_dev driver takes responsibility to program the latter mapping.
170
171 .. note::
172
173     Per queue RX interrupt event is only allowed in VFIO which supports multiple MSI-X vector. In UIO, the RX interrupt
174     together with other interrupt causes shares the same vector. In this case, when RX interrupt and LSC(link status change)
175     interrupt are both enabled(intr_conf.lsc == 1 && intr_conf.rxq == 1), only the former is capable.
176
177 The RX interrupt are controlled/enabled/disabled by ethdev APIs - 'rte_eth_dev_rx_intr_*'. They return failure if the PMD
178 hasn't support them yet. The intr_conf.rxq flag is used to turn on the capability of RX interrupt per device.
179
180 + Device Removal Event
181
182 This event is triggered by a device being removed at a bus level. Its
183 underlying resources may have been made unavailable (i.e. PCI mappings
184 unmapped). The PMD must make sure that on such occurrence, the application can
185 still safely use its callbacks.
186
187 This event can be subscribed to in the same way one would subscribe to a link
188 status change event. The execution context is thus the same, i.e. it is the
189 dedicated interrupt host thread.
190
191 Considering this, it is likely that an application would want to close a
192 device having emitted a Device Removal Event. In such case, calling
193 ``rte_eth_dev_close()`` can trigger it to unregister its own Device Removal Event
194 callback. Care must be taken not to close the device from the interrupt handler
195 context. It is necessary to reschedule such closing operation.
196
197 Blacklisting
198 ~~~~~~~~~~~~
199
200 The EAL PCI device blacklist functionality can be used to mark certain NIC ports as blacklisted,
201 so they are ignored by the DPDK.
202 The ports to be blacklisted are identified using the PCIe* description (Domain:Bus:Device.Function).
203
204 Misc Functions
205 ~~~~~~~~~~~~~~
206
207 Locks and atomic operations are per-architecture (i686 and x86_64).
208
209 Memory Segments and Memory Zones (memzone)
210 ------------------------------------------
211
212 The mapping of physical memory is provided by this feature in the EAL.
213 As physical memory can have gaps, the memory is described in a table of descriptors,
214 and each descriptor (called rte_memseg ) describes a contiguous portion of memory.
215
216 On top of this, the memzone allocator's role is to reserve contiguous portions of physical memory.
217 These zones are identified by a unique name when the memory is reserved.
218
219 The rte_memzone descriptors are also located in the configuration structure.
220 This structure is accessed using rte_eal_get_configuration().
221 The lookup (by name) of a memory zone returns a descriptor containing the physical address of the memory zone.
222
223 Memory zones can be reserved with specific start address alignment by supplying the align parameter
224 (by default, they are aligned to cache line size).
225 The alignment value should be a power of two and not less than the cache line size (64 bytes).
226 Memory zones can also be reserved from either 2 MB or 1 GB hugepages, provided that both are available on the system.
227
228
229 Multiple pthread
230 ----------------
231
232 DPDK usually pins one pthread per core to avoid the overhead of task switching.
233 This allows for significant performance gains, but lacks flexibility and is not always efficient.
234
235 Power management helps to improve the CPU efficiency by limiting the CPU runtime frequency.
236 However, alternately it is possible to utilize the idle cycles available to take advantage of
237 the full capability of the CPU.
238
239 By taking advantage of cgroup, the CPU utilization quota can be simply assigned.
240 This gives another way to improve the CPU efficiency, however, there is a prerequisite;
241 DPDK must handle the context switching between multiple pthreads per core.
242
243 For further flexibility, it is useful to set pthread affinity not only to a CPU but to a CPU set.
244
245 EAL pthread and lcore Affinity
246 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
247
248 The term "lcore" refers to an EAL thread, which is really a Linux/FreeBSD pthread.
249 "EAL pthreads"  are created and managed by EAL and execute the tasks issued by *remote_launch*.
250 In each EAL pthread, there is a TLS (Thread Local Storage) called *_lcore_id* for unique identification.
251 As EAL pthreads usually bind 1:1 to the physical CPU, the *_lcore_id* is typically equal to the CPU ID.
252
253 When using multiple pthreads, however, the binding is no longer always 1:1 between an EAL pthread and a specified physical CPU.
254 The EAL pthread may have affinity to a CPU set, and as such the *_lcore_id* will not be the same as the CPU ID.
255 For this reason, there is an EAL long option '--lcores' defined to assign the CPU affinity of lcores.
256 For a specified lcore ID or ID group, the option allows setting the CPU set for that EAL pthread.
257
258 The format pattern:
259         --lcores='<lcore_set>[@cpu_set][,<lcore_set>[@cpu_set],...]'
260
261 'lcore_set' and 'cpu_set' can be a single number, range or a group.
262
263 A number is a "digit([0-9]+)"; a range is "<number>-<number>"; a group is "(<number|range>[,<number|range>,...])".
264
265 If a '\@cpu_set' value is not supplied, the value of 'cpu_set' will default to the value of 'lcore_set'.
266
267     ::
268
269         For example, "--lcores='1,2@(5-7),(3-5)@(0,2),(0,6),7-8'" which means start 9 EAL thread;
270             lcore 0 runs on cpuset 0x41 (cpu 0,6);
271             lcore 1 runs on cpuset 0x2 (cpu 1);
272             lcore 2 runs on cpuset 0xe0 (cpu 5,6,7);
273             lcore 3,4,5 runs on cpuset 0x5 (cpu 0,2);
274             lcore 6 runs on cpuset 0x41 (cpu 0,6);
275             lcore 7 runs on cpuset 0x80 (cpu 7);
276             lcore 8 runs on cpuset 0x100 (cpu 8).
277
278 Using this option, for each given lcore ID, the associated CPUs can be assigned.
279 It's also compatible with the pattern of corelist('-l') option.
280
281 non-EAL pthread support
282 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
283
284 It is possible to use the DPDK execution context with any user pthread (aka. Non-EAL pthreads).
285 In a non-EAL pthread, the *_lcore_id* is always LCORE_ID_ANY which identifies that it is not an EAL thread with a valid, unique, *_lcore_id*.
286 Some libraries will use an alternative unique ID (e.g. TID), some will not be impacted at all, and some will work but with limitations (e.g. timer and mempool libraries).
287
288 All these impacts are mentioned in :ref:`known_issue_label` section.
289
290 Public Thread API
291 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
292
293 There are two public APIs ``rte_thread_set_affinity()`` and ``rte_thread_get_affinity()`` introduced for threads.
294 When they're used in any pthread context, the Thread Local Storage(TLS) will be set/get.
295
296 Those TLS include *_cpuset* and *_socket_id*:
297
298 *       *_cpuset* stores the CPUs bitmap to which the pthread is affinitized.
299
300 *       *_socket_id* stores the NUMA node of the CPU set. If the CPUs in CPU set belong to different NUMA node, the *_socket_id* will be set to SOCKET_ID_ANY.
301
302
303 .. _known_issue_label:
304
305 Known Issues
306 ~~~~~~~~~~~~
307
308 + rte_mempool
309
310   The rte_mempool uses a per-lcore cache inside the mempool.
311   For non-EAL pthreads, ``rte_lcore_id()`` will not return a valid number.
312   So for now, when rte_mempool is used with non-EAL pthreads, the put/get operations will bypass the default mempool cache and there is a performance penalty because of this bypass.
313   Only user-owned external caches can be used in a non-EAL context in conjunction with ``rte_mempool_generic_put()`` and ``rte_mempool_generic_get()`` that accept an explicit cache parameter.
314
315 + rte_ring
316
317   rte_ring supports multi-producer enqueue and multi-consumer dequeue.
318   However, it is non-preemptive, this has a knock on effect of making rte_mempool non-preemptable.
319
320   .. note::
321
322     The "non-preemptive" constraint means:
323
324     - a pthread doing multi-producers enqueues on a given ring must not
325       be preempted by another pthread doing a multi-producer enqueue on
326       the same ring.
327     - a pthread doing multi-consumers dequeues on a given ring must not
328       be preempted by another pthread doing a multi-consumer dequeue on
329       the same ring.
330
331     Bypassing this constraint may cause the 2nd pthread to spin until the 1st one is scheduled again.
332     Moreover, if the 1st pthread is preempted by a context that has an higher priority, it may even cause a dead lock.
333
334   This does not mean it cannot be used, simply, there is a need to narrow down the situation when it is used by multi-pthread on the same core.
335
336   1. It CAN be used for any single-producer or single-consumer situation.
337
338   2. It MAY be used by multi-producer/consumer pthread whose scheduling policy are all SCHED_OTHER(cfs). User SHOULD be aware of the performance penalty before using it.
339
340   3. It MUST not be used by multi-producer/consumer pthreads, whose scheduling policies are SCHED_FIFO or SCHED_RR.
341
342 + rte_timer
343
344   Running  ``rte_timer_manager()`` on a non-EAL pthread is not allowed. However, resetting/stopping the timer from a non-EAL pthread is allowed.
345
346 + rte_log
347
348   In non-EAL pthreads, there is no per thread loglevel and logtype, global loglevels are used.
349
350 + misc
351
352   The debug statistics of rte_ring, rte_mempool and rte_timer are not supported in a non-EAL pthread.
353
354 cgroup control
355 ~~~~~~~~~~~~~~
356
357 The following is a simple example of cgroup control usage, there are two pthreads(t0 and t1) doing packet I/O on the same core ($CPU).
358 We expect only 50% of CPU spend on packet IO.
359
360   .. code-block:: console
361
362     mkdir /sys/fs/cgroup/cpu/pkt_io
363     mkdir /sys/fs/cgroup/cpuset/pkt_io
364
365     echo $cpu > /sys/fs/cgroup/cpuset/cpuset.cpus
366
367     echo $t0 > /sys/fs/cgroup/cpu/pkt_io/tasks
368     echo $t0 > /sys/fs/cgroup/cpuset/pkt_io/tasks
369
370     echo $t1 > /sys/fs/cgroup/cpu/pkt_io/tasks
371     echo $t1 > /sys/fs/cgroup/cpuset/pkt_io/tasks
372
373     cd /sys/fs/cgroup/cpu/pkt_io
374     echo 100000 > pkt_io/cpu.cfs_period_us
375     echo  50000 > pkt_io/cpu.cfs_quota_us
376
377
378 Malloc
379 ------
380
381 The EAL provides a malloc API to allocate any-sized memory.
382
383 The objective of this API is to provide malloc-like functions to allow
384 allocation from hugepage memory and to facilitate application porting.
385 The *DPDK API Reference* manual describes the available functions.
386
387 Typically, these kinds of allocations should not be done in data plane
388 processing because they are slower than pool-based allocation and make
389 use of locks within the allocation and free paths.
390 However, they can be used in configuration code.
391
392 Refer to the rte_malloc() function description in the *DPDK API Reference*
393 manual for more information.
394
395 Cookies
396 ~~~~~~~
397
398 When CONFIG_RTE_MALLOC_DEBUG is enabled, the allocated memory contains
399 overwrite protection fields to help identify buffer overflows.
400
401 Alignment and NUMA Constraints
402 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
403
404 The rte_malloc() takes an align argument that can be used to request a memory
405 area that is aligned on a multiple of this value (which must be a power of two).
406
407 On systems with NUMA support, a call to the rte_malloc() function will return
408 memory that has been allocated on the NUMA socket of the core which made the call.
409 A set of APIs is also provided, to allow memory to be explicitly allocated on a
410 NUMA socket directly, or by allocated on the NUMA socket where another core is
411 located, in the case where the memory is to be used by a logical core other than
412 on the one doing the memory allocation.
413
414 Use Cases
415 ~~~~~~~~~
416
417 This API is meant to be used by an application that requires malloc-like
418 functions at initialization time.
419
420 For allocating/freeing data at runtime, in the fast-path of an application,
421 the memory pool library should be used instead.
422
423 Internal Implementation
424 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
425
426 Data Structures
427 ^^^^^^^^^^^^^^^
428
429 There are two data structure types used internally in the malloc library:
430
431 *   struct malloc_heap - used to track free space on a per-socket basis
432
433 *   struct malloc_elem - the basic element of allocation and free-space
434     tracking inside the library.
435
436 Structure: malloc_heap
437 """"""""""""""""""""""
438
439 The malloc_heap structure is used to manage free space on a per-socket basis.
440 Internally, there is one heap structure per NUMA node, which allows us to
441 allocate memory to a thread based on the NUMA node on which this thread runs.
442 While this does not guarantee that the memory will be used on that NUMA node,
443 it is no worse than a scheme where the memory is always allocated on a fixed
444 or random node.
445
446 The key fields of the heap structure and their function are described below
447 (see also diagram above):
448
449 *   lock - the lock field is needed to synchronize access to the heap.
450     Given that the free space in the heap is tracked using a linked list,
451     we need a lock to prevent two threads manipulating the list at the same time.
452
453 *   free_head - this points to the first element in the list of free nodes for
454     this malloc heap.
455
456 .. note::
457
458     The malloc_heap structure does not keep track of in-use blocks of memory,
459     since these are never touched except when they are to be freed again -
460     at which point the pointer to the block is an input to the free() function.
461
462 .. _figure_malloc_heap:
463
464 .. figure:: img/malloc_heap.*
465
466    Example of a malloc heap and malloc elements within the malloc library
467
468
469 .. _malloc_elem:
470
471 Structure: malloc_elem
472 """"""""""""""""""""""
473
474 The malloc_elem structure is used as a generic header structure for various
475 blocks of memory.
476 It is used in three different ways - all shown in the diagram above:
477
478 #.  As a header on a block of free or allocated memory - normal case
479
480 #.  As a padding header inside a block of memory
481
482 #.  As an end-of-memseg marker
483
484 The most important fields in the structure and how they are used are described below.
485
486 .. note::
487
488     If the usage of a particular field in one of the above three usages is not
489     described, the field can be assumed to have an undefined value in that
490     situation, for example, for padding headers only the "state" and "pad"
491     fields have valid values.
492
493 *   heap - this pointer is a reference back to the heap structure from which
494     this block was allocated.
495     It is used for normal memory blocks when they are being freed, to add the
496     newly-freed block to the heap's free-list.
497
498 *   prev - this pointer points to the header element/block in the memseg
499     immediately behind the current one. When freeing a block, this pointer is
500     used to reference the previous block to check if that block is also free.
501     If so, then the two free blocks are merged to form a single larger block.
502
503 *   next_free - this pointer is used to chain the free-list of unallocated
504     memory blocks together.
505     It is only used in normal memory blocks; on ``malloc()`` to find a suitable
506     free block to allocate and on ``free()`` to add the newly freed element to
507     the free-list.
508
509 *   state - This field can have one of three values: ``FREE``, ``BUSY`` or
510     ``PAD``.
511     The former two are to indicate the allocation state of a normal memory block
512     and the latter is to indicate that the element structure is a dummy structure
513     at the end of the start-of-block padding, i.e. where the start of the data
514     within a block is not at the start of the block itself, due to alignment
515     constraints.
516     In that case, the pad header is used to locate the actual malloc element
517     header for the block.
518     For the end-of-memseg structure, this is always a ``BUSY`` value, which
519     ensures that no element, on being freed, searches beyond the end of the
520     memseg for other blocks to merge with into a larger free area.
521
522 *   pad - this holds the length of the padding present at the start of the block.
523     In the case of a normal block header, it is added to the address of the end
524     of the header to give the address of the start of the data area, i.e. the
525     value passed back to the application on a malloc.
526     Within a dummy header inside the padding, this same value is stored, and is
527     subtracted from the address of the dummy header to yield the address of the
528     actual block header.
529
530 *   size - the size of the data block, including the header itself.
531     For end-of-memseg structures, this size is given as zero, though it is never
532     actually checked.
533     For normal blocks which are being freed, this size value is used in place of
534     a "next" pointer to identify the location of the next block of memory that
535     in the case of being ``FREE``, the two free blocks can be merged into one.
536
537 Memory Allocation
538 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
539
540 On EAL initialization, all memsegs are setup as part of the malloc heap.
541 This setup involves placing a dummy structure at the end with ``BUSY`` state,
542 which may contain a sentinel value if ``CONFIG_RTE_MALLOC_DEBUG`` is enabled,
543 and a proper :ref:`element header<malloc_elem>` with ``FREE`` at the start
544 for each memseg.
545 The ``FREE`` element is then added to the ``free_list`` for the malloc heap.
546
547 When an application makes a call to a malloc-like function, the malloc function
548 will first index the ``lcore_config`` structure for the calling thread, and
549 determine the NUMA node of that thread.
550 The NUMA node is used to index the array of ``malloc_heap`` structures which is
551 passed as a parameter to the ``heap_alloc()`` function, along with the
552 requested size, type, alignment and boundary parameters.
553
554 The ``heap_alloc()`` function will scan the free_list of the heap, and attempt
555 to find a free block suitable for storing data of the requested size, with the
556 requested alignment and boundary constraints.
557
558 When a suitable free element has been identified, the pointer to be returned
559 to the user is calculated.
560 The cache-line of memory immediately preceding this pointer is filled with a
561 struct malloc_elem header.
562 Because of alignment and boundary constraints, there could be free space at
563 the start and/or end of the element, resulting in the following behavior:
564
565 #. Check for trailing space.
566    If the trailing space is big enough, i.e. > 128 bytes, then the free element
567    is split.
568    If it is not, then we just ignore it (wasted space).
569
570 #. Check for space at the start of the element.
571    If the space at the start is small, i.e. <=128 bytes, then a pad header is
572    used, and the remaining space is wasted.
573    If, however, the remaining space is greater, then the free element is split.
574
575 The advantage of allocating the memory from the end of the existing element is
576 that no adjustment of the free list needs to take place - the existing element
577 on the free list just has its size pointer adjusted, and the following element
578 has its "prev" pointer redirected to the newly created element.
579
580 Freeing Memory
581 ^^^^^^^^^^^^^^
582
583 To free an area of memory, the pointer to the start of the data area is passed
584 to the free function.
585 The size of the ``malloc_elem`` structure is subtracted from this pointer to get
586 the element header for the block.
587 If this header is of type ``PAD`` then the pad length is further subtracted from
588 the pointer to get the proper element header for the entire block.
589
590 From this element header, we get pointers to the heap from which the block was
591 allocated and to where it must be freed, as well as the pointer to the previous
592 element, and via the size field, we can calculate the pointer to the next element.
593 These next and previous elements are then checked to see if they are also
594 ``FREE``, and if so, they are merged with the current element.
595 This means that we can never have two ``FREE`` memory blocks adjacent to one
596 another, as they are always merged into a single block.